【802.11协议】MAC层学习笔记1：DCF协议

概述

在初始802.11的MAC层中，分成了两种基本工作模式：

• DCF（Distributed Coordination Function）
• PCF（Point Coordination Function）

其中，由于DCF具有良好的分布式特性，从而应用更加广泛，而PCF模式则较为少用。在802.11e协议中，DCF被扩展为EDCA模式，PCF模式被扩展为HCCA模式。

CSMA/CA机制

DCF模式的核心是CSMA/CA机制。

简介

由于无线信道只有一个冲突域的特性，所以需要设置一种随机接入机制，以避免多个节点同时访问网络所带来的冲突问题，在WiFi协议中，该随机接入机制即是CSMA/CA。CSMA/CA的全称是Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，即载波侦听多路访问／冲突避免。如果熟悉有线网络的可以知道，在集线器与中继器中也会采用一种CSMA/CD的机制，从协议设计的大思路上，两者是类似的。

概念

DIFS与SIFS

该两种都是属于Inter-frame Spacing（IFS），即 帧间间隙。DIFS全称为Distributed Inter-frame Spacing，即分布式帧间间隙，SIFS称为Short inter-frame space，即短帧间间隔。在CSMA/CA中，发一个帧之前，都需要 “等待” 一个相应的帧间间隔，比如发送数据之前至少要等待DIFS时间，发送ACK之前需要等待SIFS时间。
CSMA/CA中需要用到以下三种帧间间隔：
SIFS=用于分隔一次对话的各帧
PIFS=SIFS+一个时隙时间长度
DIFS=PIFS+一个时隙时间长度

Slot Time

时隙是指的一个时间片段，在CSMA/CA中，节点竞争接入信道之前需要经过相应的 随机回退（backoff）过程，其中backoff过程就是由很多个时隙所组成的。

Contention window

竞争窗口是用来让节点选择随机回退计数值（backoff counter）的范围。

Backoff

随机回退过程是指每一个节点在竞争信道时，所经历的随机退避过程。在这一过程开始时，节点首先在竞争窗口中选择一个随机数为基准的随机回退计数值，同时每一个时隙，节点为 “监听” 信道是否空闲，若信道空闲，那么进行一次倒数，即计数值减1，若信道忙，则不进行相应倒数。当该随机回退计数值回退到0时，节点可以发送数据。

例子

在该拓扑中，存在一个AP，与两个节点（STA 1与STA 2）。由于无线环境下的广播特性，若STA 1与STA 2同时向AP发送数据，那么就会在AP处发生冲突，从而两者都无法正确接收，最终传输失败。CSMA/CA就是提供一种避免冲突发生的接入规则。

1. 当STA 1与STA 2相继存在数据，需要在竞争信道进行发送时，其首先需要 “等待” DIFS时间，若DIFS时间内，信道保持空闲状态，那么就可以进行backoff过程。
2. 若STA 1与STA 2进入backoff过程时，其首先需要从竞争窗口（Contention window）选择一个随机数，在802.11协议中，默认的初始竞争窗口为31，即随机回退计数值的范围即是[0,31] 。
3. 在backoff过程中，每经过一个slot time，节点会 “监听” 一次信道，若信道空闲，则相应的随机回退计数器的值减1。如上图中，经过3个slot time后，STA 1的随机倒数计数器从8递减至5，而STA 2相应从2递减至0。
4. 当节点的随机倒数计数器倒数至0时，节点竞争获得信道，从而可以发送数据。如上图，STA 获得信道后，发送PACKET A给AP。在AP接收到数据后，会采用CRC机制对数据进行校验，若校验通过，AP会在SIFS后，反馈ACK确认帧。
5. 当STA 2成功发送完数据， “等待” 了SIFS的时间之后，AP会反馈ACK确认帧。当STA 2成功接收到ACK帧之后，这一次传输完成。
6. 当这一次传输完成后，节点需要再次 “等待” DIFS的时间后，重新开始backoff过程。若节点刚刚发送完数据，那么在backoff过程开始时，需要重新从竞争窗口中选择一个随机数进行倒数。若节点没有发送数据，那么直接从上一次的倒数结果继续倒数。如上图中，STA 1没有竞争到信道，那么其在第二次的backoff过程中，直接基于上次的5直接进行倒数至4。这样的设计目的是为了保证网络传输的公平性。
   
   若在上述的第5步中，AP没有成功接收节点的数据，或者AP对数据进行CRC校验错误，那么其不会反馈相应的ACK给节点。节点在ACK timeout之后，则知道对方没有成功接收数据，该ACK timeout时间在理论分析时，一般与ACK接收时间相等，在具体工程设计中，可能会大一点点。那么发送错误的节点，需要等待EIFS时间才可以再次接入信道，EIFS>DIFS，这样是为了避免一些较差的节点持续争抢信道资源。比如图中STA 2即需要在等待EIFS之后，节点首先进行BEB，然后重新开始backoff过程，而STA 1则直接在DIFS之后进行backoff。

BEB机制

BEB机制的全称为Binary Exponential Back off，即二进制指数退避算法。在CSMA/CA的机制中，还是存在发生冲突的可能性，从而为了避免在CSMA/CA机制下再次冲突，故引入了BEB机制。

在 “等待” DIFS后，STA 1与STA 2从各自的竞争窗口CW中选择一个随机数，不过碰巧的是，两者随机到了一样的数值。在经过3个slot time之后，由于两者同时倒数至0，那么意味着两者会同时发送数据，如图中的红色虚线框表示，在AP处由于两者信号互相干扰，从而都无法正确解码，从而CRC校验错误，即发生冲突。在冲突之后，即若AP处CRC校验失败，则不会给任意节点反馈ACK数据包，故两节点在ACK timeout之后（即总共等待EIFS之后，图中的EIFS起始点应为STA2中SIFS的起始点，即EIFS=SIFS+ACK+DIFS），准备进入下一次竞争。

而在正式进入下一次竞争之前，节点需要对竞争窗口（CW）采用BEB机制。在初始竞争时，节点的默认CW范围是[0,31] （假设初始窗口是802.11b机制下，即最大31，在802.11a这种，初始窗口就是15）。而如果在节点数较多的情况下，那么就有可能引发之前我们所述的冲突问题，从而我们需要扩大竞争窗口CW。具体在CSMA/CA中，我们则是采用二进制指数退避的方法对竞争窗口CW进行扩展，即发生一次冲突后，那么CW范围就会从[0,31]变化到[0,63] ，如图中，在冲突之后，STA 1重新随机选择50，STA 2重新随机选择32。在802.11中，一共允许回退6次，第7次不倍增窗口，再次尝试重发，若再次失败，则丢包。

参考CWNA教材，有给出具体每一次回退的CW窗口大小，如下：

RTS/CTS模式

在DCF模式下存在两种子模式：

• Basic模式
• RTS/CTS模式
  RTS/CTS模式可以很好的应对隐藏终端问题。

参考内容

802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA
802.11信道接入 – DCF